Dispersione della luce: storia delle scoperte e descrizione del fenomeno

Il mondo intorno è pieno di milioni di sfumature diverse. A causa delle proprietà della luce, ogni oggetto e oggetto che ci circonda ha un certo colore, percepito dalla visione umana. Lo studio delle onde luminose e le loro caratteristiche hanno permesso alle persone di dare uno sguardo più approfondito alla natura della luce e ai fenomeni ad essa associati. Oggi parliamo della varianza.

Natura della luce

Da un punto di vista fisico, la luce è una combinazione di onde elettromagnetiche con diverse lunghezze e frequenze. L'occhio umano non percepisce alcuna luce, ma solo quella la cui lunghezza d'onda è compresa tra 380 e 760 nm. Le restanti specie rimangono invisibili per noi. Questi includono, ad esempio, infrarossi e radiazione ultravioletta. Famoso scienziato Isaac Newton rappresentava la luce come un flusso direzionale delle particelle più piccole. E solo più tardi è stato dimostrato che è per sua natura un'onda. Tuttavia, Newton aveva ancora in parte ragione. Il fatto è che la luce possiede non solo proprietà ondulatorie, ma anche corpuscolari. Ciò è confermato dal noto fenomeno dell'effetto fotoelettrico. Si scopre che flusso luminoso ha una duplice natura.

Spettro dei colori

La luce bianca, accessibile alla visione umana, è una raccolta di diverse onde, ognuna delle quali è caratterizzata da una certa frequenza e auto-energia dei fotoni. In conformità con questo, può essere scomposto in onde di diversi colori. Ognuno di loro è chiamato monocromatico, e un colore specifico ha il suo intervallo di lunghezza, frequenza di onde e energia del fotone. In altre parole, l'energia emessa da una sostanza (o assorbita) viene distribuita in base agli indicatori di cui sopra. Questo spiega l'esistenza dello spettro di luce. Per esempio colore verde lo spettro corrisponde a una frequenza nell'intervallo da 530 a 600 THz e al viola - da 680 a 790 THz.

Dispersione della luce

Ognuno di noi ha mai visto i raggi brillare su prodotti in vetro sfaccettati o, per esempio, sui diamanti. Questo può essere osservato a causa del fenomeno della dispersione della luce. Questo effetto riflette la dipendenza dell'indice di rifrazione di un oggetto (sostanza, mezzo) sulla lunghezza (frequenza) dell'onda luminosa che passa attraverso questo oggetto. La conseguenza di questa dipendenza è la scomposizione del raggio in uno spettro di colori, ad esempio, quando si passa attraverso un prisma. La dispersione della luce è espressa dalla seguente equazione:

n = ƒ (ƛ)

dove n è l'indice di rifrazione, ƛ è la frequenza e ƒ è la lunghezza d'onda. L'indice di rifrazione aumenta con l'aumentare della frequenza e la diminuzione della lunghezza d'onda. Osserviamo spesso la dispersione in natura. La sua manifestazione più bella è un arcobaleno, che si forma a causa della dispersione della luce solare quando passa attraverso numerose gocce di pioggia.

Primi passi verso la scoperta della dispersione

Come accennato in precedenza, quando passa attraverso un prisma, il flusso luminoso viene scomposto in uno spettro di colori, che Isaac Newton ha studiato in dettaglio a tempo debito. Il risultato della sua ricerca fu la scoperta del fenomeno della dispersione nel 1672. L'interesse scientifico per le proprietà della luce è apparso prima della nostra era. Il famoso Aristotele aveva già notato che la luce del sole poteva avere sfumature diverse. Lo scienziato sosteneva che la natura del colore dipende dalla "quantità di oscurità" che è presente nella luce bianca. Se ce n'è molta, allora c'è un colore viola, e se è piccolo, allora rosso. Il grande pensatore ha anche detto che il colore principale dei raggi di luce è il bianco.

La ricerca precedente di Newton

La teoria aristotelica dell'interazione tra oscurità e luce non fu confutata dagli studiosi del XVI e XVII secolo. Sia il ricercatore ceco Marci che il fisico inglese Hariot eseguirono indipendentemente esperimenti con un prisma e furono fermamente convinti che la causa della comparsa di diverse sfumature dello spettro fosse precisamente il mescolare il flusso luminoso con l'oscurità quando passava attraverso il prisma. A prima vista, i risultati degli scienziati potrebbero essere chiamati logici. Ma i loro esperimenti erano piuttosto superficiali e non potevano supportarli con ulteriori ricerche. Questo fu, finché Isaac Newton prese il potere.

La scoperta di Newton

Grazie alla mente inquisitrice di questo eccezionale scienziato, è stato dimostrato che la luce bianca non è la luce principale e che altri colori non nascono dall'interazione tra luce e oscurità in rapporti diversi. Newton confutò queste credenze e mostrò che la luce bianca è composita nella sua struttura, è formata da tutti i colori dello spettro della luce, chiamati monocromatici. Come risultato del passaggio di un raggio di luce attraverso un prisma, si forma una varietà di colori a causa della decomposizione della luce bianca nei suoi flussi ondulatori costituenti. Tali onde con diversa frequenza e lunghezza sono rifratte nel mezzo in modi diversi, formando un certo colore. Newton imposta esperimenti, che sono ancora usati in fisica. Ad esempio, esperimenti con prismi incrociati, utilizzando due prismi e uno specchio, oltre a far passare la luce attraverso i prismi e uno schermo perforato. Ora sappiamo che la decomposizione della luce nello spettro dei colori avviene a causa delle diverse velocità di passaggio delle onde con lunghezze e frequenze diverse attraverso una sostanza trasparente. Di conseguenza, alcune onde escono dal prisma prima, altre - un po 'più tardi, altre - anche più tardi, e così via. Così è la decomposizione del flusso luminoso.

Dispersione anormale

Successivamente, i fisici del secolo precedente hanno fatto un'altra scoperta riguardante la dispersione. Il francese Leroux scoprì che in alcuni ambienti (in particolare, nel vapore di iodio) la dipendenza che esprime il fenomeno della dispersione è rotta. Il fisico Kundt, che viveva in Germania, ha iniziato lo studio di questa domanda. Per la sua ricerca, ha preso in prestito uno dei metodi di Newton, cioè l'esperienza usando due prismi incrociati. L'unica differenza era che invece di uno di essi, Kundt usava una nave prismatica con una soluzione di cianina. Si è scoperto che l'indice di rifrazione quando la luce passa attraverso tali prismi aumenta, non diminuisce, come ha fatto negli esperimenti di Newton con prismi ordinari. Uno scienziato tedesco ha scoperto che questo paradosso è osservato come conseguenza del fenomeno dell'assorbimento della luce da parte di una sostanza. Nell'esperimento descritto di Kundt, una soluzione di cianina agiva come mezzo assorbente e la dispersione della luce per questi casi era definita anomala. Nella fisica moderna, questo termine non è quasi mai usato. Ad oggi, il normale Newton scoperto e successivamente scoperto dispersione anomala sono considerati due fenomeni appartenenti alla stessa dottrina e aventi una natura comune.

Lenti a bassa dispersione

Nella fotografia, la dispersione della luce è considerata un fenomeno indesiderabile. Diventa la causa del cosiddetto Aberrazione cromatica dove le immagini appaiono colori distorti. Le sfumature delle foto non corrispondono alle sfumature dell'oggetto da rimuovere. Questo effetto è particolarmente spiacevole per i fotografi professionisti. A causa della dispersione nelle fotografie, non solo il colore è distorto, ma i bordi sono spesso sfocati o, al contrario, l'aspetto di un bordo troppo definito. I produttori globali di apparecchiature fotografiche affrontano gli effetti di un tale fenomeno ottico con l'ausilio di lenti a bassa dispersione appositamente progettate. Il vetro da cui sono fatti ha un'eccellente proprietà di onde uguali che si infrangono con diverse lunghezze e frequenze. Gli obiettivi in ​​cui sono montati gli obiettivi a bassa dispersione sono detti acromatici.